爆破振动效应研究若干进展

爆破振动效应是由爆破振动引起的周边环境的动力响应及其作用后果。当今,爆破技术在我国交通、水电、城建等领域工程建设中的应用越来越广泛、爆破环境也越来越复杂,爆破振动控制成为制约工程爆破安全高效施工的工程难题。在综述爆破振动相关研究现状的基础上,从爆破振动特征、作用机理与动力响应、预测及控制技术3个方面,系统归纳和阐述了爆破振动效应研究的科学技术体系,并结合近年来一些典型的工程建设背景,介绍了作者团队在爆破振动效应研究相关方面的若干进展。

隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明:隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为:隧道轴向距掌子面0~6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44~21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。

冻结砂岩爆破破岩的能量耗散特性

为探究冻结岩体的冲击力学性能,并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗,针对寒区典型分布的砂岩,采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法,开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明:(1)冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升,而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果,相同物理参数下,砂岩的抗压强度差距不大,而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2)常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低,且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态,冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3)相同含水率下,冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态,在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时,冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4)将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合,得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型,可为寒区爆破工程提供参考。

淤泥-岩石地层爆破临近给水管道振动特征

盾构机通过淤泥-岩石地层时,可以在地面钻孔预先爆破破碎岩石,但是淤泥-岩石地层爆破产生的振动威胁爆区周围供水管道的安全。通过对爆破振动进行现场测试和数值模拟,首先验证爆破现场材料的物理和力学参数,然后研究了爆区附近供水管道的动态响应。得出如下结论:在管道轴向上,节点峰值速度(PPV)随着距爆炸源水平距离的增加而减小;在管道正上方地表沿管道轴向,节点峰值速度也随着距爆炸源水平距离的增加而减小;管道上节点峰值速度与管道上方地面的节点峰值速度之间存在函数关系。管道内壁最大PPV是最小PPV的3.97倍,管道内壁90°处的节点峰值速度最高,管道外壁最大PPV是最小PPV的1.03倍,管道外壁150°处的节点峰值速度最高,每个节点的PPV彼此不同,给水管道内壁PPV大于外壁,内壁PPV变化较大,但外壁PPV相对接近。单元的最大峰值有效应力是单元的最小峰值有效应力的4.06倍,在管道外壁240°~270°处单元的峰值有效应力最高。本研究的结论可以为确定爆区周围供水管道的安全性提供参考。

基于CWM和CM的长滩露天矿深孔台阶爆破岩体可爆性评价

在深孔台阶爆破中,对不同地质条件下的岩体按其可爆性进行分级,是进行爆破参数优选优化,确定合理爆破参数的前提,对提高矿区生产爆破效率,改善爆破效果、降低爆破成本具有重要意义。结合长滩露天煤矿爆破开挖实际,通过现场单孔爆破漏斗试验、岩体声波测试、室内岩石力学试验,获取了岩体体可爆性分级相关指标。基于组合赋权(CWM)和云模型(CM)的可爆性分级方法,对长滩露天煤矿剥离岩体的可爆性进行了分级评价。结果表明长滩露天矿正在剥离爆破的4个平台岩体可爆性为:1130平盘主要分布灰绿色粗砂岩,可爆性为Ⅲ级(中等);1115平盘主要岩性为黄绿色中砂岩,可爆性为Ⅱ级(较难爆);1100平盘是紫红色砂质泥岩,可爆性为Ⅰ级(难爆);1145平盘主要以紫红色泥岩为主,可爆性为Ⅲ级(中等)。

公路隧道衬砌空洞病害力学行为模型试验研究

受工程地质条件、设计施工技术和运营养护水平等因素的影响,我国早期修建的公路隧道大多存在不同形式的缺陷,公路隧道衬砌病害问题日益突出。衬砌空洞作为衬砌病害的主要表现形式之一,严重地威胁着隧道的安全和稳定性。针对典型隧道衬砌空洞病害,以武山隧道工程为例,采用室内缩尺度模型试验的方法,针对隧道运营过程中常见的衬砌背后空洞病害,综合考虑衬砌混凝土与内筋组合结构的力学特性,研究了运营期地应力条件下衬砌背后不同位置、不同深度和不同长度空洞对隧道衬砌结构应力行为的影响。研究结果表明:武山隧道衬砌空洞病害主要分布在拱顶处,空洞出现的原因主要是混凝土随着使用年限的增长发生老化以及施工处局部存在质量缺陷;衬砌背后拱顶处空洞对衬砌结构应力状态的影响大于其他位置;衬砌背后空洞的深度和长度的增加均会导致空洞处衬砌内壁应力的增加,而其他位置应力变化较小。

深基坑爆破减振孔作用下围护桩结构减振效应研究

基坑开挖爆破过程中振动荷载易对围护桩结构造成影响,临近围护桩结构预设爆破减振孔是重要控制手段。为评价爆破减振孔作用下围护桩结构的减振效应,以武汉地铁7号线巨龙大道站基坑爆破工程为背景,通过现场振动监测分析获得围护桩结构顶部振动速度;利用LS-DYNA软件建立基坑爆破数值计算模型,在结合现场监测数据验证计算模型及参数可靠性的基础上,采用控制变量法设计减振孔参数组合计算方案,计算分析各参数对减振效应的影响规律;提出围护桩结构稳定性的安全判据,在最优减振孔减振方案下,分析围护桩结构动力响应特征,并实现其现场工程应用检验。研究结果表明:减振孔的减振效应与减振孔的孔径、孔深、孔距和排数都存在相关性,其中减振孔的孔深、孔距和排数对减振效应的影响较大,而减振孔孔径对减振效应的影响较小;围护桩结构爆破振动速度安全判据为26.10 cm/s;以孔径为100 mm、间距为0.2 m、孔深为0.7 m的双排梅花型减振孔为优化设计方案,在此方案下,围护桩上最大振速为25.57 cm/s,小于爆破振速安全判据。

基于MD-PCA-BP模型的露天矿山爆破振动速度预测

为解决露天矿山爆破复杂场地地质条件的爆破振动预测问题,提出了一种基于马氏距离判别(MD)和主成分分析(PCA)的改进BP神经网络预测模型,即MD-PCA-BP模型。结合内蒙古长滩露天矿爆破振动监测数结果,利用马氏距离判别法剔除监测数据的离群值,并采用主成分分析法对爆破振动影响因素进行降维处理得到3个主成分因子,计算各主成分因子的得分,最终通过BP神经网络构建爆破振动与主成分得分的非线性关系,建立了基于MD-PCA-BP的爆破振动预测模型。结果表明:基于MD-PCA-BP模型建立的爆破振动速度预测模型预测结果与实测值的拟合度达到0.94,预测模型具有较高的预测精度;将预测结果与萨道夫斯基经验公式、2个改进的高程经验公式、MD-BP模型、PCA-BP模型以及BP模型进行比较,MD-PCA-BP模型的预测误差大部分在10%以内,相较于经验公式和未改进的BP预测模型具有更高的可靠度和准确度。基于MD-PCA-BP的爆破振动预测模型在复杂地形的爆破振动速度预测方面表现出了良好的预测效果,对复杂地形的爆破振动预测具有一定的参考作用。

超高性能混凝土拉压滞回本构模型

为合理进行超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)结构抗震非线性计算,提出了一种可模拟循环往复荷载作用下UHPC构件力学性能的拉压滞回本构模型。基于UHPC材料单调及重复轴压试验数据,在单调轴压本构模型的基础上,引入线性加卸载路径,建立了考虑钢纤维影响的UHPC重复受压本构模型。基于UHPC材料单调及重复轴拉试验数据,对应力软化型和应力硬化型的UHPC分别提出了双折线和三折线型的受拉应力-应变曲线,并建立了UHPC重复受拉本构模型。在重复受压和重复受拉本构模型的基础上,引入拉压传递机理,建立UHPC拉压滞回本构模型。基于OpenSees二次开发平台,采用文中所提拉压滞回本构模型对循环往复荷载下UHPC柱的力学性能进行计算,并与试验数据进行对比。结果表明:构建的UHPC拉压滞回本构模型可较好地模拟不同钢纤维掺量及不同轴压比下UHPC柱在循环往复荷载作用下的受力性能,可应用于UHPC结构抗震非线性分析。

溃疡性结肠炎患者肠黏膜组织IL-23、IL-10、TLR2 表达与Baron分级和肠道菌群的关系

目的分析溃疡性结肠炎(UC)患者肠黏膜组织白介素-23(IL-23)、白介素-10(IL-10)、Toll样受体2(TLR2)表达与Baron分级和肠道菌群的关系。方法选取2022年1月至2023年12月我院收治的74例UC(UC组)患者,另选取同期健康体检者60名作为对照组,比较两组肠黏膜组织IL-23、IL-10、TLR2表达和Baron内镜分级评分、肠道菌群,并分析肠黏膜组织IL-23、IL-10、TLR2表达与Baron内镜分级评分和肠道菌群的相关性。结果UC组黏膜组织IL-23、TLR2表达水平为(3.26±1.03)、(1.92±0.40),高于对照组的(1.55±0.20)、(1.01±0.13),IL-10表达水平为(0.77±0.20),低于对照组的(2.08±0.45)(P<0.05)。UC组Baron内镜分级评分为(3.65±0.20)分,高于对照组的0分(P<0.05)。UC组双歧杆菌、乳酸杆菌为(5.41±1.22)cfu/g、(5.62±1.40)cfu/g,低于对照组的(9.67±2.88)cfu/g、(8.93±2.55)cfu/g,大肠埃希菌、拟杆菌、肠球菌为(16.22±3.36)cfu/g、(4.01±0.82)cfu/g、(8.33±2.29)cfu/g,高于对照组的(8.21±2.14)cfu/g、(2.13±0.26)cfu/g、(4.45±1.03)cfu/g(P<0.05)。pearson相关分析显示,肠黏膜组织IL-23、TLR2表达与Baron内镜分级评分和大肠埃希菌、拟杆菌、肠球菌呈正相关,与双歧杆菌、乳酸杆菌呈负相关,IL-10表达与Baron内镜分级评分和大肠埃希菌、拟杆菌、肠球菌呈负相关,与双歧杆菌、乳酸杆菌呈正相关(P<0.05)。结论UC患者肠黏膜组织IL-23、TLR2呈高表达,IL-10呈低表达,并与肠道菌群紊乱和肠黏膜损伤程度有关。

隧道爆破开挖作用下砂浆锚杆动力响应特征及安全控制研究

明晰隧道爆破开挖作用下砂浆锚杆的动力响应特征,保证锚杆支护系统的安全稳定是隧道高效建设及安全运行的关键。基于龙南隧道各级围岩爆破开挖工程,采用动力有限元数值模拟软件ANSYS/LS⁃DYNA,分别建立不同围岩级别、不同注浆龄期砂浆锚杆爆破开挖动力有限元计算模型,分析隧道爆破作用下各部位砂浆锚杆的动力响应特征与失效机制。研究表明,各级围岩爆破开挖时,隧道拱顶的锚杆振动速度与轴力均最大,锚杆部件端部为最危险点,沿隧道轴线方向,锚杆的振动速度与轴力均随爆破距离的增大而不断衰减;各部位的锚杆峰值振速随着注浆龄期的增加而减小,轴力随注浆强度的增加而减小,其剪力值也会减小;拱顶锚杆的轴力值与峰值振速具有线性关系,其与围岩级别以及龄期的大小有关,根据锚杆安全轴力可以计算得到不同围岩级别、不同养护龄期隧道爆破开挖砂浆锚杆的安全控制振速。

爆破振动影响下人体舒适度振动台试验及其评价体系构建

针对现有爆破振动影响下人体舒适度评价体系中人体主观感受的不确定性,通过振动台模拟爆破振动开展人体振动反应试验,结合人体心电指标,分析爆破振动参数、心电指标以及人体主观感受的量化关系,构建爆破振动影响下人体舒适度评价体系.研究结果表明:竖直方向是影响人体舒适度的主要振动方向,且振动对人体的影响与人体主要震感部位有关,主要震感部位从脚部到头部上移时,影响也逐渐增大;随着振动频率和速度的增加,人体心电指标相邻RR间期之差的均方根(RMSSD)在竖直方向振动下呈现出先减小后增大的趋势,在水平方向振动下则一直减小,但减小的幅度有限;RMSSD的下降比例与爆破振动参数以及人体主观感受之间存在定量关系,利用三者之间的定量对应关系可实现爆破振动影响下的人体舒适度定量评价;爆破施工时,可将0.7 cm·s^(-1)的地表竖直方向振动速度和80 Hz的振动频率作为邻近人群密集区域爆破工程的控制阈值.

魏家峁煤矿区深孔台阶剥离爆破施工岩体可爆性分析

了解和掌握岩体可爆性分级是确定合理爆破参数和提高工程效率的重要依据。结合魏家峁矿区台阶爆破开挖实际,在现场调查、取样基础上,根据矿区工程地质资料得到岩样的普氏系数和抗拉强度。采用蜡封法密度试验和岩石声波试验对已揭露台阶面岩样的岩石密度、声波波速进行了测试分析。依据获取的四个指标,基于加权聚类分析原理对矿区岩体可爆性进行了研究。研究表明:魏家峁矿区剥离层岩石有粗砂岩、中砂岩、细砂岩、砂砾岩和泥砂岩等。试验得到的五种岩石密度中,泥砂岩密度最大,为2.75 g/cm^(3);粗砂岩密度最小,为2.01 g/cm^(3),砂砾岩、细砂岩、中砂岩密度位于泥砂岩和粗砂岩之间。在声波试验得到的平盘所对应岩样的声波波速中1064平盘的岩石纵波波速最大,为2.615 km/s,1096平盘的岩石纵波波速最小,为2.029 km/s。根据所取岩样对应的平盘分布状况,魏家峁矿区剥离岩体的可爆性从1112平盘至1064平盘自上而下逐渐变差,其中1112平盘主要是砂砾岩,可爆性为中等难爆;1096平盘以粗砂岩为主,可爆性为易爆;1080平盘是中砂岩,可爆性为中等难爆;1064平盘主要岩性为细砂岩,可爆性为难爆。

城区复杂环境下地铁隧道爆破掏槽方式优化

爆破振动控制是复杂城区环境地铁隧道爆破施工中的重点关注问题,而掏槽爆破往往是在隧道爆破中产生的振动强度最大。结合武汉地铁7号线北延线(前川线)爆破工程背景,综合数值模拟及现场测试验证方法,计算对比分析了单楔形掏槽、四直孔掏槽和双楔形掏槽三种掏槽方式下爆破振动强度,提出了基于爆破振动速度控制的地铁隧道掏槽爆破优化方式。研究结果表明:在单楔形掏槽、四直孔掏槽与双楔形掏槽三种掏槽爆破方式下,沿隧道开挖轴线方向,三种掏槽方式具有相似的传播规律,在0~10 m范围内,x向(水平径向)峰值振动速度随着与掌子面距离不断增加而减小,在0~-5 m范围内,x向(水平径向)峰值振动速度随着与掌子面距离不断增加而不断衰减,当地表质点与掌子面水平距离超过5 m时,x向(水平径向)峰值振动速度整体趋势表现为先上升后下降。隧道左导洞上台阶已开挖区对地表振动速度具有放大效应,即存在“空洞效应”;垂直于隧道开挖轴线方向,x向(水平径向)峰值振动速度在隧道左右两侧分布规律大致相似,且随着与原点水平绝对距离的增加而逐渐减小,隧道左导洞上台阶存在临空面,使隧道左侧x向(水平径向)峰值振动速度大于隧道右侧;由于采用延时起爆方式,双楔形掏槽x向(水平径向)峰值振动速度最小;在隧道爆破施工中,已开挖区地表振动速度是前方未开挖区的1.35~2.02倍,存在“空洞效应”;与其他两种掏槽相比,双楔形掏槽的“空洞效应”较弱。对三种掏槽方式爆破地表振动强度对比分析表明,三种掏槽方式的优劣顺序为:双楔形掏槽>单楔形掏槽>四直孔掏槽。

隧道爆破作用下邻近高层框架结构动力响应研究

为分析隧道爆破振动作用下高层框架结构的动力响应特征,确保城市地铁隧道开挖过程中邻近建筑的安全稳定,依托武汉地铁8号线洪山站-小洪山站区间大断面隧道爆破开挖工程,采用动力有限元软件建立三维数值模型,结合现场振动监测数据验证计算模型及其方法的可靠性;通过框架结构爆破动力响应数值模拟计算,得出了框架结构峰值振速和最大主应力峰值随高程变化的分布特征,以及楼层高度改变时高程放大系数的变化规律。研究结果表明:高层框架结构垂向振速沿层高方向呈先减小后增大的变化规律,一层、高层均存在放大效应;高程放大系数随总层高的增加逐渐减小;建筑侧下方未形成空洞时隧道爆破对结构的影响最大,爆心距最小的柱上最大主应力峰值最大。

基于组合赋权和灰色聚类评估的深孔台阶爆破效果评价

为了对魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果进行综合评价,考虑爆破质量、安全、经济三方面目标,选取大块率、根底率、后裂距离、松散系数、单耗、延米爆破量、振动速度、飞散距离等8个参量作为评价指标。通过无人机、高速摄影、振动监测等技术手段对魏家峁煤矿4个生产爆破平盘开展现场监测,并利用Split-desktop、Motion studio等软件进行数据分析,得到了上述参量的量化指标。分别利用层次分析法和CRITIC法,获得评价指标的主、客观权重,然后基于离差平方和最大原则确定了各指标的组合权重。利用中心点三角白化权函数对灰色聚类法进行优化,建立了爆破效果的灰色聚类评估模型,对魏家峁煤矿深孔台阶爆破效果进行了综合评价,并根据综合聚类系数得到了4个平盘的爆破效果优劣顺序。最后对比指标数据分析了爆破效果最差的平盘主要存在的问题。研究结果表明:炸药单耗、大块率、根底率的组合权重都大于0.15,对爆破效果的影响较大;4个平盘的爆破效果优劣顺序为:1080平盘>1064平盘>1096平盘>1112平盘;1112平盘需要结合地质条件,针对后裂距离大、单耗高、延米爆破量小、飞散距离大等问题进行台阶爆破参数优化。

大断面隧道新浇二衬混凝土爆破振动控制安全阈值

大断面隧道新浇二衬混凝土的强度较低,在爆破施工过程中易受到破坏。为研究新浇二衬混凝土爆破振动控制标准,结合大断面龙南隧道工程,采用现场监测与数值模拟相结合的研究方法,分析不同龄期大断面隧道新浇二衬混凝土在爆破振动作用下的动力响应特征,得出新浇二衬混凝土爆破振动控制安全阈值。研究结果表明:隧道二衬拱顶z方向振动速度和拉应力大于其他部位,峰值振动速度6.66 cm/s和峰值拉应力1.57 MPa出现在拱顶,拱顶是最危险位置;不同龄期下二衬拱顶的爆破振动速度随爆心距的增大呈指数衰减趋势,随着混凝土龄期的增加而衰减,且不同方向衰减趋势有差异;基于数值模拟结果和动态抗拉强度理论,大断面龙南隧道新浇二衬混凝土爆破安全振动速度阈值为2.80 cm/s。

采矿巷道围岩变形机制数值模拟研究

研究了大冶铁矿龙洞-62m、-74m水平采矿巷道开挖后的二次应力分布及巷道变形机制。首先根据现场工程地质勘查和室内岩石力学试验对巷道围岩进行了工程地质分组和岩石力学参数确定;在此基础上运用FLAC3D数值模拟软件研究了巷道开挖后的应力应变状态,分析了围岩变形机制;并根据-74m水平采矿巷道的收敛监测数据对比验证了数值模拟结果。研究结果表明,围岩条件不同的采矿巷道其二次应力分布影响范围有所差异,但围岩主应力总体上表现为由巷道边墙中下部位的压应力集中带逐步过渡到拱顶、底板一定范围内的拉应力集中带。

上土下岩地层中柱面SH波的传播特性分析

为了研究爆破地震波在上土下岩地层中传播的曲率对地表振动的影响,选取爆破地震波中的柱面SH波作为研究对象,基于弹性地震波理论与积分变换方法,建立了单层、多层层状地层的刚度矩阵和动力平衡方程。并以武汉宝通寺地铁站爆破开挖为工程背景,分析了地表速度与土岩地层界面速度的比值(|v_(0)/v_(1)|)与土层厚度和震源深度等参数的关系。结果表明:上土下岩地层中,当入射波频率大于30 Hz时,土层对距震距200 m处的地表振动速度具有明显的放大作用,土层越厚,土层的放大效应越小;而随着震中距的增加,土层呈现出过滤高频波的作用;随着震源深度增加,土层的放大效应逐渐减小;当震源深度在10~15 m时,可把柱面SH波简化为平面波作用。

基于爆破漏斗试验的大直径深孔爆破参数研究

根据利文斯顿爆破能量平衡准则,在安庆铜矿生产现场,进行了系列单孔爆破漏斗试验以及变孔距多孔同段爆破漏斗试验。对现场应用的两种炸药爆破漏斗特性曲线、爆破漏斗体积与炸药埋深及其与漏斗半径关系、爆破漏斗的最佳埋深与临界埋深、爆破漏斗的炸药单耗等内容进行了分析研究。据此,确定了与矿岩条件相匹配的炸药类型,计算选择了安庆铜矿采矿生产所需的大直径深孔爆破参数,推荐安庆铜矿1#矿体深部矿房采场大直径深孔爆破采用MRB乳化岩石炸药,钻爆设计参数为:单层药包重量:中间排孔29~34 kg;边排孔24 kg。单层药包最佳埋深:中间排孔1.78~1.89 m;边排孔2 m。分层装药高度:中间排孔1.23~1.44 m;边排孔1 m。分层爆高:2.5 m。最佳漏斗半径:1.69 m。炮孔间距:3.2 m。单孔控矿面积:10.24 m2。平均炸药单耗:0.33kg^0.365 kg/t。